Zastosowanie przekładni wielobiegowej w samochodach elektrycznych

Transkrypt

1 SEKRECKI Michał 1 Zastosowanie przekładni wielobiegowej w samochodach elektrycznych WSTĘP Obecnie duża część największych producentów samochodów posiada w swojej ofercie przynajmniej jeden samochód elektryczny. Jednakże wszystkie one są wyposażone w prosty reduktor. W efekcie są one mało popularne ze względu na mały zasięg i wysoką cenę, na którą składa się przede wszystkim cena akumulatorów. Znaczne zmniejszenie zużycia energii przez pojazd elektrycznym jest zatem kluczowym elementem, ponieważ bezpośrednio przekłada się na zwiększenie zasięgu pojazdu. W ten sposób może on stać się konkurencyjną alternatywą dla samochodów o klasycznym napędzie spalinowym, które znacznie przewyższają zasięgiem jazdy dostępne rozwiązania samochodów elektrycznych. Niniejszy artykuł przedstawia analizę zastosowania przekładni wielobiegowej w układzie napędowym lekkiego samochodu elektrycznego. Głównym celem analizy jest pokazanie wpływu przekładni na zużycie energii przez pojazd elektryczny. 1. OPIS BADANEGO ROZWIĄZANIA Opisywany elektryczny układ napędowy składa się z akumulatora Li-Ion, silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, przekładni, dyferencjału i układu sterowania silnikiem i przekładnią (Rys. 1). Rys. 1. Schemat układu napędowego samochodu elektrycznego Przekładnia ma za zadanie zapewnić pracę silnika z możliwie najwyższą sprawnością podczas całego cyklu jazdy. Może to zostać zapewnione przez właściwy dobór przełożeń przekładni wielobiegowej, jak również odpowiednią strategię sterowania zmianą przełożeń w przekładni. Rozważając pracę układu napędowego samochodu elektrycznego należy pamiętać, że pomimo bardzo korzystnej charakterystyki silnika elektrycznego, wynikającej ze sterowania metodą PWM (pulse width modulation)[8], sprawność silnika znacznie się różni zależnie od jego warunków pracy. 1 Mgr inż. Michał Sekrecki, Zakład Napędów Wieloźródłowych, Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska, ul. Narbutta 84, Warszawa, tel , m.sekrecki@simr.pw.edu.pl 4333

2 Rys. 2 Charakterystyka silnika PM sterowanego przy pomocy PWM Przedstawiona na rysunku 2 charakterystyka jednoznacznie pokazuje, że możliwym jest skonstruowanie układu napędowego wyposażonego jedynie w prosty reduktor o stałym przełożeniu. Pozwala na to możliwość uzyskania maksymalnego momentu silnika już od zerowych obrotów w szczególności gdy weźmie się pod uwagę możliwość chwilowego przeciążania silnika elektrycznego. Rys. 3 Sprawność silnika elektrycznego; punkty pracy przy zastosowaniu reduktora Jednakże analiza rysunku 3 wyraźnie pokazuje, że w trakcie ruszania silnik obciążony bardzo wysokim momentem pracuje ze swoją najniższą sprawnością. Patrząc na punkty pracy w cyklu NEDC widać, że skupiają się one głównie w obszarze niskich (ok. 70%) i średnich sprawności. Należy podkreślić, że istotny jest również czas pracy w danym punkcie. Dla cyklu NEDC, zawierającego wiele faz przyspieszania i hamowania silnik przez większość czasu pracuje we wspomnianym obszarze, a jedynie przy wyższych prędkościach punkty pracy skupiają się w obszarze wysokiej sprawności (powyżej 80%). 4334

3 Rys. 4 Sprawność silnika elektrycznego; punkty pracy przy zastosowaniu przekładni 3-biegowej Zastosowanie przekładni wielobiegowej pozwala wyeliminować ten problem. Dzięki odpowiednio dużej wartości przełożenia pierwszego biegu znacząco obniżony zostaje moment silnika potrzebny do ruszenia oraz szybciej zwiększona zostaje jego prędkość obrotowa, a tym samym punkty pracy zostają przesunięte do obszaru o dużo większej sprawności (Rys. 4). Rysunek 4 przedstawia punkty pracy silnika współpracującego z 3-biegową przekładnią zautomatyzowaną. Duże przełożenie pierwszego biegu nie pozwala jednak na osiągniecie wymaganej cyklem prędkości maksymalnej, dlatego konieczny jest też odpowiedni dobór przełożenia biegu ostatniego. Biegi pośrednie oraz strategia sterowania powinny zapewniać pracę silnika w obszarze wysokiej sprawności. Kolejnym argumentem przemawiającym za zastosowaniem przekładni o zmiennym przełożeniu jest możliwość zwiększenia ilości energii rekuperowanej a tym samym zwiększenia zasięgu pojazdu. Wiadomym jest, że hamowanie odzyskowe jest możliwe tylko przy odpowiednio wysokiej prędkości obrotowej silnika elektrycznego, pozwalającej na wygenerowanie momentu hamującego. Zastosowanie przekładni zautomatyzowanej pozwala, poprzez zmianę przełożenia w czasie hamowania na podwyższanie prędkości silnika, przez co znacząco wpływa na ilość rekuperowanej energii kinetycznej pojazdu. 2. BADANIA SYMULACYJNE W celu weryfikacji przedstawionych założeń oraz właściwego doboru parametrów komponentów elektrycznego układu napędowego przeprowadzone zostały badania symulacyjne. Na początek przygotowano odpowiednie modele symulacyjne. Modele te zostały opracowane w taki sposób, aby możliwie dokładnie odwzorowywały zachowanie rzeczywistych elementów, co pozwala na uzyskanie realistycznych wyników, nieodbiegających znacząco od rzeczywistości. Modele bazują na rzeczywistych zjawiskach i charakterystykach komponentów, bez stosowania nadmiernych uproszczeń. Uwzględnione zostały nieliniowe zachowania elementów, zwłaszcza w przypadku modelowania najsilniej nieliniowego z nich, jakim jest akumulator Li-Ion. Szczegółowy opis użytego modelu, jak również jego weryfikację za pomocą badań laboratoryjnych, można znaleźć w artykule [7]. Modele zostały sparametryzowane, co pozwala na szybkie zmiany parametrów komponentów i prowadzenie symulacji dla różnych ich typów. 4335

4 Ze względu na duża liczbę niewiadomych, do rozwiązania równań wymagane było użycie metod iteracyjnych. W związku z tym badania przeprowadzono w oprogramowaniu MATLAB/Simulink Model symulacyjny W niniejszym opracowaniu najważniejszym z komponentów jest przekładnia zastosowana w układzie. W związku z tym na potrzeby badań opracowano szczegółowe modele symulacyjne przekładni zębatej, zarówno w formie reduktora, jak i wielobiegowej. W modelu przekładni o zmiennym przełożeniu wykorzystano opracowany przez autora uproszczony model synchronizatora, którego szczegółowy opis można znaleźć w [6]. Model ten odwzorowuje przede wszystkim fazę synchronizacji prędkości, ponieważ jako najdłuższa ma największy wpływ na pracę układu. W prowadzonych badaniach energetycznych pozostałe fazy, których w literaturze wyróżnia się od 6 do 8 [3, 5], są pomijalnie krótkie. W związku z tym oraz ogólnym skomplikowaniem modelu, w celu usprawnienia obliczeń nie są one uwzględniane, jako niemające znaczącego wpływu na wynik końcowy. W symulacjach uwzględniono fakt, że sprawność przekładni zębatej nie jest stała, lecz zależna od przenoszonego momentu, przełożenia czy też prędkości obrotowej. Pierwsze dwie wielkości mają przede wszystkim wpływ na straty związane z tarciem międzyzębnym [1, 4]. Prędkość obrotowa wiąże się ze stratami na rozbryzgiwanie oleju w przekładni. Rysunek 5 przedstawia przykładową mapę sprawności przekładni otrzymaną w modelu. Rys. 5 Przykładowa mapa sprawności przekładni zebatej W badaniach porównano również układ napędowy z przekładnią o ciągłej zmianie przełożenia (CVT). W tym przypadku, ze względu na dużą różnorodność tego typu przekładni, przyjęto średnią sprawność na poziomie 88% [2, 9, 10], co jest wartością typową dla najpopularniejszego typu przekładni z kołami stożkowymi i pasem metalowym Wyniki badań Symulacje przeprowadzono dla czterech wersji układu napędowego, wyposażonych odpowiednio w reduktor, przekładnię CVT, przekładnię dwubiegową oraz przekładnię trzybiegową. Rozważane rozwiązania przedstawia rysunek

5 Rys. 6 Porównywane rozwiązania układu napędowego Badania przeprowadzone zostały dla małego samochodu miejskiego o masie 870 kg wyposażonego w silnik o mocy 14 kw (max. 28 kw). Szczegółowe dane samochodu przedstawione zostały w tabeli 1. Tab. 1 Dane samochodu użyte w symulacjach Wielkość Jednostka Wartość Masa kg 870 Powierzchnia czołowa m 2 2 Współczynnik oporu aerodynamicznego - 0,3 Moment bezwładności koła kgm 2 0,488 Promień dynamiczny koła m 0,276 Dla wszystkich symulacji przyjęto stały pobór mocy 250 W do zasilania elementów takich jak światła, kierunkowskazy, itp. Wyniki symulacji w postaci zużycia energii na kilometr w cyklu NEDC przedstawia tabela 2. Tab. 2 Wyniki symulacji Zużycie energii w cyklu NEDC na 1km [Wh/km] Reduktor CVT Przekładnia 2- Przekładnia 3-86, ,13 57,57 Jak łatwo zauważyć, zastosowanie dowolnego typu przekładni o zmiennym przełożeniu zmniejsza zużycie energii o ok. 30% w porównaniu do reduktora o stałym przełożeniu. W przypadku 4337

6 przeprowadzonych symulacji zmniejszenie zużycia energii wahało się w granicach od 26% do 33% w stosunku do reduktora. Szczegółowe dane przedstawia tabela 3. Tab. 3 Procentowa różnica w zużyciu energii Reduktor CVT Przekładnia 2- Przekładnia 3- Reduktor - 25,76 24,45 33,22 CVT 25, ,77 10,05 Przekładnia 2-24,45-1,77-11,61 Przekładnia 3-33,22 10,05 11,61 - Przeprowadzone symulacje pokazały, że zastosowanie przekładni CVT pozwala zmniejszyć o 2% zużycie energii w stosunku do przekładni dwubiegowej. Należy jednak podkreślić, że w symulacji nie uwzględniono systemu sterowania przekładnią, który niezależnie od tego, czy jest najczęściej stosowanym systemem hydraulicznym, czy też systemem elektryczno-mechanicznym, wymaga stałego poboru energii również w stanach ustalonych, przez co ogólna sprawność przekładni jest dużo niższa niż przekładni zębatej. W zautomatyzowanej przekładni zębatej dodatkowa energia pobierana jest tylko w momencie zmiany biegów. WNIOSKI Jak pokazują przedstawione badania, zastosowanie zautomatyzowanej przekładni wielobiegowej niesie za sobą wiele korzyści. Pozwala zwiększyć zasięg, zastosować mniejszy, a tym samym lżejszy silnik. Ponadto możliwym jest zastosowanie mniejszego pakietu akumulatorów, co przekłada się na niższą cenę pojazdu i na zmniejszenie zużycia energii przez zmniejszenie masy pojazdu. Wydaje się, że również producenci samochodów dostrzegli korzyści płynące z zastosowania wielobiegowych przekładni, ponieważ zaprezentowane już zostały pierwsze samochody koncepcyjne wyposażone w tego typu przekładnie. Zmniejszenie zużycia energii o 33% oznacza zasięg większy o 49,5 km na każde 100 km (przyjmując za punkt odniesienia zużycie energii przy zastosowaniu reduktora o stałym przełożeniu). Wszystko to pokazuje, jak ważnym zagadnieniem staje się prowadzenie badań mających na celu określenie właściwych parametrów przekładni oraz, co równie ważne, algorytmów i strategii sterowania przekładniami w układzie napędowym. Streszczenie Niniejszy artykuł skupia się na analizie wpływu przekładni o zmiennym przełożeniu na efektywność energetyczną pojazdu elektrycznego. Ze względu na charakterystykę silnika elektrycznego, najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest reduktor o stałym przełożeniu. Analiza sprawności silnika elektrycznego oraz przekładni zębatej nasuwa jednak wniosek, że zastosowanie przekładni o zmiennym przełożeniu pozwala na poprawę warunków pracy układu napędowego poprzez minimalizację strat w układzie. Porównano zużycie energii pojazdów elektrycznych wyposażonych w układy napędowe z reduktorem o stałym przełożeniu, z przekładnią CVT oraz przekładniami zębatymi wielobiegowymi. Przekładnia wielo ma znaczący wpływ na sprawność i zasięg pojazdu elektrycznego. Przeprowadzone badania symulacyjne, oparte na dokładnych modelach komponentów, pokazują że zastosowanie zautomatyzowanej przekładni wielobiegowej niesie za sobą wiele korzyści. Pozwala zwiększyć zasięg, zastosować mniejszy, a tym samym lżejszy silnik. Ponadto możliwym jest zastosowanie mniejszego pakietu akumulatorów, co przekłada się na niższą cenę pojazdu i na zmniejszenie zużycia energii przez zmniejszenie masy pojazdu. Słowa kluczowe: przekładnia zautomatyzowana, napęd elektryczny, przekładnia wielo 4338

7 The usage of multi-speed transmissions in electric vehicles Abstract This article focuses on the analysis of the impact of variable ratio transmission on energy efficiency of an electric vehicle. Due to the characteristics of the electric motor the most commonly used solution is fixed ratio reducer. Analyzing the efficiency of the electric motor and the gear transmission, it has been concluded that the use of variable ratio transmission allows to improve the working conditions of the propulsion system by minimizing the losses in the system. The energy consumption of electric vehicles equipped with propulsion systems with fixed-ratio reducer, CVT and gear multi-speed transmissions has been compared. Multi-speed gearbox has a significant impact on the efficiency and range of electric vehicle. Simulations based on accurate models of the components, show that the use of automated multi-speed gearbox brings a lot of benefits. The range can be extended and a smaller, thus lighter, motor can be used. In addition, it is possible to use a smaller battery pack, which can result in a lower price of the vehicle and reduced energy consumption by reducing vehicle weight. Keywords: automated transmission, EV powertrain, multispeed transmission BIBLIOGRAFIA 1. Bramson, E., et al., Układy napędowe z akumulacją energii. pod redakcją Szumanowskiego A., PAN, Warszawa Heath, R. P. G. Seamless AMT offers efficient alternative to CVT. JSAE Annu. Congr., Yokohama, Japan Hoshino H., Simulation on Synchronization Mechanism of Transmission Gearbox. International ADAMS User Conference, Jaśkiewicz Z., Mechaniczne skrzynki przekładniowe. WKŁ, Lovas L., Play D., Marialigeti J., Rigal J. F., Mechanical behaviour simulation for synchromech mechanism improvements. Proc. IMechE, Vol. 220 Part D: J. Automobile Engineering. 6. Sekrecki M., Krawczyk P., Kopczyński A., Modelowanie synchronizatora do analizy warunków pracy i sterowania skrzynią biegów w układzie napędowym samochodu elektrycznego. Logistyka 2014, nr Sekrecki M., Krawczyk P., Kopczyński A., Nieliniowy model symulacyjny akumulatora Li-Ion do obliczeń napędów pojazdów elektrycznych. Logistyka 2014, nr Szumanowski A., Hybrid Electric Vehicle Drives Design Edition based on Urban Buses. Warsaw- Radom Veenhuizen, P. A., et al., Pushbelt CVT efficiency improvement potential of servoelectromechanical actuation and slip control. In: 2004 CVT Congress Zhu, C., et al. Experimental investigation on the efficiency of the pulley-drive CVT. International Journal of Automotive Technology, 2010, 11.2: